Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/30428
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelagem numérica e projeto ótimo de sistemas de amortecimento viscoelásticos aplicados a placas retangulares
Alternate title (s): Numerical modeling and optimal design of viscoelastic damping systems applied to rectangular plates
Author: Stoppa, Marcelo Henrique
First Advisor: Rade, Domingos Alves
First coorientator: Steffen Junior, Valder
First member of the Committee: Pavanello, Renato
Second member of the Committee: Melo, Gilberto Pechoto
Third member of the Committee: Silva, Luciano Afonso da
Summary: Materiais viscoelásticos têm sido amplamente utilizados para fins de controle passivo de vibrações, podendo ser dispostos sob a forma de dispositivos discretos (coxins, por exemplo) ou aplicados como tratamentos especiais. Neste último caso, a eficiência do sistema de controle pode ser significativamente aumentada empregando-se a configuração denominada "camada viscoelásfica restrita” , que consiste em dispor a camada viscoelástica entre a estrutura principal e uma fina lâmina metálica externa, o que permite aumentar a deformação de cisalhamento da camada viscoelástica e, em consequência, a dissipação da energia vibratória. Adicionalmente, foram propostas metodologias de controle híbrido (ativo-passivo) de vibrações baseadas no emprego de pastilhas piezelétricas combinadas com filmes viscoelásticos, em configurações denominadas "camada restrita ativa” . O presente trabalho trata da modelagem numérica e do projeto ótimo de placas retangulares tratadas com camadas restritas passivas e ativas. São desenvolvidos modelos de elementos finitos de placas retangulares multi-camadas, considerando-se uma configuração assimétrica com três camadas e uma configuração simétrica com cinco camadas. Os modelos são adaptados para o caso de camadas restritas ativas, mediante a introdução dos efeitos piezelétricos direto e inverso, conferindo ao tratamento, capacidade de atuação e sensoriamento. A típica dependência do comportamento viscoelástico em relação à frequência é introduzida na modelagem por elementos finitos utilizando três modelos viscoelásticos distintos: o modelo de Golla-Hughes-MacTavish (GHM), o modelo dos Campos de Deslocamentos Anelásticos (ADF) e o modelo de Derivadas Fracionárias. O procedimento de modelagem é validado mediante confrontação com resultados obtidos em ensaios experimentais. Com base nos modelos desenvolvidos, é feito um estudo da influência de alguns parâmetros de projeto no comportamento dinâmico das placas tratadas com camada restrita passiva. Visando minimizar as dificuldades geradas pela elevada dimensão dos modelos de elementos finitos incorporando materiais viscoelásticos, é formulada e avaliada numericamente uma técnica de redução de modelo baseada na transformação modal. Em seguida, é proposta e avaliada uma metodologia para o posicionamento ótimo do tratamento superficial empregando Algoritmos Genéticos. Finalmente, é desenvolvida a formulação para a análise de sensibilidade de autovalores complexos e de funções de resposta em frequência de placas tratadas com camada restrita passiva. É também formulada a sensibilidade de funções de resposta em frequência em relação à temperatura. Tal procedimento é ilustrado por meio de simulações numéricas.
Abstract: Viscoelastic materiais have been extensively used for the passive control of sound and vibration. They can be deployed either as discrete devices (mountings, for instance) or as surface treatments. In this last case, the damping effectiveness can be significantly increased by using the so-called passive constraining layer damping (PCLD), which is obtained by inserting a viscoelastic layer between the base structure and a thin metal sheet. Such procedure enables to increase the shear strain of the viscoelastic core, thus increasing the amount of dissipated energy. Additionally, hybrid active-passive control methodologies have also been developed recently, based on the use of piezoelectric patches combined with viscoelastic films. Such combination has been named active constraining layer damping (ACLD). The present work is devoted to various aspects of numerical modeling, analysis and design of rectangular plates treated with PCLD and ACLD. Finite element models of laminated plates are developed, considering both a three-layer non-symmetric and a five-layer symmetric configurations. Both models are adapted to include the direct and inverse piezoelectric effects, enabling to represent the sensing and actuation capabilities of ACLD systems. The typical dependency of the viscoelastic behavior with respect to the vibration frequency is introduced into the modeling procedure by means of three different viscoelastic models, namely: the Golla-Hughes-MacTavish (GHM) model, the Anelastic Displacement Field model (ADF) and the Fractional Derivative model. The modeling procedure is validated through the comparision of finite element-predicted dynamic responses and the experimentally derived counterparts. Based on the validated models, it is carried-out a study about the influence of some design parameters on the damping effectiveness of PCLD systems. Aiming at reducing the high computation cost involved in the numerical processing of the systems of equations of motion, a model reduction technique based on the modal transformation is evaluated. It is also suggested a methodology for the optimal placement of partial PCLD treatments based on Genetic Algorithms. Finally, it is developed a technique of sensitivity analysis of complex eigenvalues and frequency response functions with respect to design parameters of PCLD systems. It is also addressed the sensitivity analysis of frequency response functions with respect to the temperature. This last procedure is illustrated by means of numerical simulations.
Keywords: Camada restrita
Víscoelasticidade
Piezeletricidade
Otimização
Análise de sensibilidade
Amortecimento
Constraining layer
Viscoelasticity
Piezoelectricity
Optimization
Sensitivity analysis
Damping
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Subject: Placas (Engenharia)
Víscoelasticidade
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: STOPPA, Marcelo Henrique. Modelagem numérica e projeto ótimo de sistemas de amortecimento viscoelásticos aplicados a placas retangulares. 2003. 164 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2003.13
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2003.13
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/30428
Date of defense: 2003
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
ModelagemNumericaProjeto.pdfTese22.78 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons